大桥北斗变形监测方案

基于北斗技术桥梁变形

监

测

方

案

目录

1 概述

1.1项目背景 (1)

1.2项目目的及意义 (2)

2 北斗卫星系统监测工作原理和应用概况 (3)

2.1工作原理 (3)

2.2北斗应用于变形监测的优势 (4)

2.3卫星导航系统在国内外桥梁监测中的应用概况 (4)

3 北斗桥梁变形监测系统设计 (8)

3.1设计依据 (8)

3.2设计原则 (8)

3.3设计功能 (9)

3.4系统总体设计 (9)

3.4.1系统性能 (10)

3.4.2系统技术参数 (11)

3.5监测点位设计 (11)

3.5.1基准点设计 (11)

3.5.2监测点设计 (16)

3.6数据中心设计 (18)

3.7通讯系统设计 (20)

3.7.1 GNSS接收机到桥梁机柜交换机 (20)

3.7.2机柜交换机到数据中心 (21)

3.8供电系统设计 (21)

3.9防雷设计 (24)

3.10数据处理系统设计 (26)

4 北斗变形监测软件介绍 (28)

4.1软件结构 (28)

4.2软硬件平台 (28)

4.3基本功能和指标 (29)

5 北斗接收机介绍 (31)

1概述

1.1项目背景

大桥全长1296.32m,桥型布置为：主桥为7×60m刚架拱+(80+90+80)m 中承式拱+5×60m刚架拱。

设计荷载标准：汽车-20级，挂车-100，人群荷载为3.5kN/m2。

桥面净宽：净-15+2×2.4m非机动车道。

上部结构构造：刚架拱净跨径为60m，矢跨比为1/7，墩中距70m，设悬臂式墩帽。

下部结构构造：中承式拱及刚架拱的交界墩采用沉井基础，其他墩采用桩基承台配空心墩，桥台采用组合式台。大桥刚架拱桥型布置见图1-2。

大桥刚架拱桥型布置图(单位：cm)

大桥运营12年来，由于车流量的不断增加，加之超限车辆的反复碾压，

该桥多处部位出现不同程度的病害，已直接影响到过往行人及车辆的安全。

根据《公路桥涵养护规范》(JTGH11-2004)第3.3.3条有关规定，为及

时掌握桥梁各主要承重构件在运营过程中的变形情况，排除技术状况调查

中各种疑虑，建议对一些大桥、特大桥、拱桥、重要特殊的桥梁建立长期

监测系统，并定期进行桥梁变形监测。

1.2项目目的及意义

为确保大桥的正常运行，分析和总结大桥变形规律、发展趋势，研究

大桥运营中各种因素对大桥变形的影响情况，以便更好地对桥梁进行养护，需对桥梁进行实时变形监测。桥梁变形监测的意义主要表现在以下方面：

1、掌握桥梁在荷载反复作用下有无沉降发生（特别是不均匀沉降）。

2、掌握桥梁线形变化情况，并根据桥面线形的测试结果推断梁体有无出现下挠，整体刚度有无出现弱化。挠度是桥梁结构最重要及最直观的指

标之一。桥梁结构由于主要部位出现缺损、缺陷，如裂缝、锈蚀、错位、沉降及混凝土的收缩等，挠度将发生变化，通过挠度长期监测，保证结构

的安全性。

3、判断桥台有无继续发生沉降，对桥台基础加固后的状态进行跟踪。

4、可以了解桥梁现有病害的发展趋势、对桥梁安全运营的影响程度，根据监测数据针对性的制定出养护方案。

5、进一步完善和建立、健全现有的桥梁管理系统，建立和积累必要

的技术档案资料，提高桥梁管理技术水平。

6、可以验证大桥设计及施工的合理性，结构分析与模型实验的正确性，为今后设计中重要参数的选取和设计方法提供有用的反馈信息。

2北斗卫星系统监测工作原理和应用概况

2.1工作原理

北斗卫星导航系统(BeiDou Navigation Satellite System，BDS)是中国自行研制的全球卫星导航系统。是继美国全球定位系统（GPS）、俄罗斯格洛纳斯卫星导航系统（GLONASS）之后第三个成熟的卫星导航系统，是全球卫星导航系统（Global Navigation Satellite System，GNSS）的重要组成部分。北斗系统由空间段、地面段和用户段三部分组成，星座部署完成后，可在全球范围内全天候、全天时为各类用户提供高精度、高可靠定位、导航、授时服务，并具有短报文通信能力，定位精度10米，测速精度0.2米/秒，授时精度10纳秒。

北斗卫星导航变形监测系统主要采用差分相对定位的方法进行实时位置解算，通过分析定位信息确定监测对象是否产生位移。差分是2个或多个测站之间的相对定位，如图1-1所示，如果A和B两点在同一时间内观测了相同的一组卫星（至少四颗）。而且A是一个已知点，通过通讯数据链路，把原始改正信息传到B点，那么B点的位置就可以得到确定。

图2-1 差分相对定位示意图

2.2北斗应用于变形监测的优势

变形监测是桥梁安全监测系统中的关键项目。传统变形监测系统在保证工程正常运行方面发挥了重要作用，但存在如下缺陷：

1) 大量采用手工采集数据的方法，自动化测点少，自动化程度低，工作量大，观测易受气候和其它外界条件的影响，容易漏过重要和危险的信号；

2) 各监测点的变形量在时间上不是同步的；

3) 平面位移和垂直位移数据是在不同的测点上、不同的时间里采集的；

4) 传统精密水准网路线长，工作量大，时效性差。

利用北斗卫星导航系统对桥梁进行变形监测，能克服传统监测系统所存在的缺陷，精度能满足规范要求，而且可以更全面地了解桥梁各时期的变化，甚至瞬时变化，实现连续观测与数据的自动处理。可以更有效地掌握桥梁的运行状态，及时发现问题，确保桥梁的安全，并为桥梁提供更可靠的安全监测资料。

2.3卫星导航系统在国内外桥梁监测中的应用概况

1) 英国亨伯桥的GPS监测系统

英国的亨伯悬索桥全长2220米，主跨1410米，南跨530米，北跨280米(图2-2)。英国诺丁汉大学于1996年使用2台双频GPS接收机，一对甚高频数据链对该桥进行了动态监测试验。该试验以2Hz采样频率，分别测量了中跨1／2、边跨1／2和支撑塔顶的位移。数据处理采用随机RTK软件。该试验显示桥面垂直位移最大为40厘米，大多数时间位移量为15厘米左右，桥面横向位移最大为14厘米，塔顶纵向位移1-2厘米，横向0.5-1厘米。